廈門大學蔡端俊教授Small丨超高響應度日盲光電探測紙研究中取得重要進展

?【導讀】

對于190-285 nm波段的陽光，地表是它的禁區。這一波段的陽光在穿越大氣層的過程中會被完全吸收，以至于在我們的生活空間內，幾乎探測不到它的存在，“日盲”故此得名。如若在地表監測到日盲紫外光信號，無疑代表導彈發射、炸藥爆炸、火災、強閃電等特定事件的發生。因此，對日盲紫外信號的監測在特定領域意義重大。目前，傳統日盲紫外光電探測器仍多采用硅材料，雖可實現紫外探測，但其效率并不理想，結構較為復雜，功能較為單一。

【成果掠影】

近日，廈門大學蔡端俊教授、陳小紅教授、李靜教授團隊在Small期刊發表了題為“Upconversion under Photon Trapping in ZnO/BN Nanoarray: An Ultrahigh Responsivity Solar-Blind Photodetecting Paper”?的最新研究成果論文，并被選為封面文章。該工作報道了在h-BN/Cu紙表面直接異質外延超長垂直的ZnO納米柱陣列，并結合新型Cu納米線透明柔性電極3D噴涂技術，成功研發了一種隧穿型柔性日盲紫外光電探測紙。在臨界偏壓（3.9 V）下，實現了單一半導體器件對日盲紫外光（< 280 nm）和近紫外光（365 nm）的可切換探測，展示出超高的光電響應：R @?700 A/W、EQE @?2×10³?@ 265 nm，R @?8697.7 A/W、EQE @?3×10⁴?@ 365 nm，遠超傳統的寬禁帶半導體光電探測器體系，是目前國際上所報道的最高值之一。同時，該光電探測紙具有很好地柔韌性、穩定性和抗疲勞性，為未來多功、智能和高效的日盲紫外探測和可穿戴應用開辟了可能性，預示著巨大的商用價值。

【核心創新點】

該團隊提出并設計高規整 ZnO 納米柱陣列深光子陷阱，增強日盲紫外光子俘獲，構建h-BN/ZnO 異維強電場界面實現光電倍增，以及利用微分負電阻（NDR）效應驅動光電子上轉換轉移。具體地：（1）利用二維 h-BN范德華弱作用力界面釋放ZnO與Cu紙之間的失配應力，誘導生長高規整 ZnO 納米柱陣列；（2）提出Cu納米線頂層透明網絡電極3D噴涂技術，增加日盲紫外光子透過，并通過頂層Cu納米線擾亂入射光子傳播路徑實現光子在ZnO 納米柱陣列內的多級反射，將紫外光子吸收度提升 > 99.5%；（3）二維h-BN 介質膜增加Cu/ZnO 異維界面勢壘高度，降低器件暗電流，同時形成界面電荷堆積，強化內電場，增強載流子在隧穿過程中的碰撞電離，提升器件的光增益；（4）利用NDR效應誘導ZnO相鄰能谷間的光電子轉移，形成能量分立的3.4 eV/4.5 eV光子吸收阱，在國際上首次成功利用NDR效應實現了基于單一半導體材料的可調雙波段（UVA/UVC）探測。

【數據概覽】

圖1. a）Cu基二維h-BN薄膜及其?b) HR-TEM圖、c) Raman光譜；d) 無、e) 有h-BN誘導層的Cu 基 ZnO陣列；f) ZnO陣列（青色）及其籽晶層（粉色）的Raman光譜；g，h）ZnO陣列及其Cu 納米線頂層網絡透明電極；i）Cu 納米線網絡的透光率與方阻關系。

圖2. Cu納米線和ZnO陣列共增強紫外光子俘獲 (a, b) 示意圖； c)不同角度和波長入射光下，ZnO陣列內的模擬電場分布，綠色虛線為光子傳播深度；d, e) 不同角度和波長入射光下，ZnO陣列結構與平面結構的吸光度； f) 有無Cu納米線頂層網絡時ZnO陣列的吸光度。

圖3. a)日盲紫外光電探測紙的結構示意圖及其b) 能帶結構；c，d) APSYS 軟件模擬的器件的電場分布和I-V曲線；e）暗態（青色）和紫外光（粉色）輻照下器件的 I-V 曲線；f，g）纖鋅礦結構ZnO的能帶結構；g) 在強電場作用下，光電子從近紫外區上轉換到日盲紫外區示意圖；h，i) 不同偏壓下器件的光電流與入射紫外光波長的關系：呈現探測波段可調特性。

圖 4.日盲紫外光電探測紙的靈活性、可靠性和超高響應度展示： a) 柔性 PET 基板上的Cu納米線的柔韌性和可靠性測試；b，c) 不同彎曲狀態下器件的I-t；d)?器件經500 次彎曲測試后的I-t；e) 對業內基于不同半導體材料的普通/柔性紫外光電探測器的高響應度總結。

【成果啟示】

本課題組研發了一種柔性日盲紫外光電探測紙器件，可通過調控臨界外偏壓在近紫外和日盲紫外信號之間進行切換檢測。該器件具有強大的可靠性和超高的響應度，響應度最高可達700 A/W @ 265–276 nm，8697.7 A/W @ 365 nm。本論文工作對于從新維度、新結構、新物理、新功能等多方面探索智能、多功日盲紫外柔性光電子器件具有積極意義。

【論文信息】

該論文工作由廈門大學作為第一單位完成，博士生劉國振為第一作者，蔡端俊教授和陳小紅教授為該論文的通訊作者。該研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福建省科技計劃等項目的資助。

鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202200563